§ 24. интерференция и дифракция света

Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление – в других. Постоянная во времени (стационарная) интерференционная картина возникает только при сложении волн равной частоты с постоянной разностью фаз. Такие волны и возбуждающие их источники называют когерентными.

Интерференция света — одно из проявлений его волновой природы, возникает, например, при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой (рис. 24а). В данном случае интерференция возникает при сложении когерентных волн 1 и 2, отразившихся от двух сторон воздушной прослойки. Эту интерференционную картину, имеющую вид концентрических колец (рис. 24б), называют кольцами Ньютона в честь И. Ньютона, впервые описал её и установил, что радиусы этих колец для красного света больше, чем для синего.

Считая, что свет – это волны, английский физик Т. Юнг, объяснил интерференцию света следующим образом. Падающий на линзу луч 0 после отражения от выпуклой её поверхности и преломления даёт начало двум отражённым лучам (1 и 2). При этом световые волны в луче 2 запаздывают по отношению к лучу 1 на Dj, и разность фаз Dj зависит от «лишнего» пути (разности хода, АBС на рис.24а), который прошёл луч 2, по сравнению с лучом 1.

Очевидно, что, если Dj = nl, где n - целое число, то волны 1 и 2, складываясь, будут усиливать друг друга и, мы, смотря на линзу под эти углом, будем видеть яркое кольцо света данной длины волны. Наоборот, если

Dj = ,

где n - целое число, то волны 1 и 2, складываясь, будут гасить друг друга, и поэтому, смотря на линзу сверху под таким углом, мы будем видеть тёмное кольцо. Таким образом, интерференция волн приводит к перераспределению энергии колебаний между различными близко расположенными частицами среды.

Интерференция зависит от длины волны, и поэтому, измеряя угловые расстояния между соседними минимумами и максимумами интерференционной картины, можно определить длину волны света. Если интерференция происходит в тонких плёнках бензина на поверхности воды или в плёнках мыльных пузырей, то это приводит к окрашиванию этих плёнок во все цвета радуги. Интерференцию используют для уменьшения отражения света от оптических стёкол и линз, что называют просветлением оптики. Для этого на поверхность стекла наносят плёнку прозрачного вещества такой толщины, чтобы разность фаз отражённых от стекла и плёнки световых волн составила .

Дифракция света – огибание световыми волнами краёв препятствий, являющаяся ещё одним доказательством волновой природы света, впервые была продемонстрирована Т. Юнгом в опыте, когда плоская световая волна падала на экран с двумя близко расположенными щелями 1 и 2 (рис. 24в). Согласно принципу Гюйгенса щели 1 и 2 можно рассматривать как источники вторичных когерентных волн. Поэтому, проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся, и на экране в области перекрытия световых пучков от щелей 1 и 2 наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. Возникновение интерференционной картины, показанной на рис. 24в, объясняется тем, что волны от щелей 1 и 2 до каждой точки P на экране проходят разные расстояния r₁ и r₂, и соответствующая этому разность фаз между ними определяет яркость точки Р.

Вопросы для повторения:

·        Что называют когерентными волнами и источниками света?

·        Что называют интерференцией, и каковы условия появления стационарной интерференционной картины?

·        От чего зависит положение максимума или минимума в интерференционной картине?

·        Что называют дифракцией света?

 

Рис. 24. (а) – к объяснению возникновения интерференционной картины (колец Ньютона); (б) – кольца Ньютона; (в) – интерференционная картина, возникающая на экране справа, при падении света слева на экран с двумя щелями (1 и 2).